实验四 微程序控制器与指令部件实验

实验四微程序控制器与

指令部件实验计算机组成原理实验课件陆遥一、实验目的掌握微程序的写入及修改方法。掌握微程序控制的原理和方法。掌握指令部件的组成。掌握指令寄存器（IR）的打入操作，以及程序计数器（PC）的置数与计数操作。二、实验任务及要求（一）微程序控制器实验使用驻机键盘进行微程序的写入与修改。取出控存中的微指令，并发出其中的微命令。用微程序控制的方法，实现算术运算“A加B”，并输出运算结果。提示：每一步操作控制用一条微指令来完成；另，所需脉冲信号仍以手动方式产生。（二）指令部件实验给PC置数（通常为转移目标指令的地址）。控制PC加1.将指令代码打入IR。三、实验原理与实验方法（一）微程序控制器实验原理与实验方法微指令长度为24位，采用全水平型格式，包含24个微命令。微程序的执行控制采用µPC方式，微地址为8位（MD7~MD0）。每条指令的微程序在控存中的首地址，用指令操作码（I7~I4）修改微地址形成：00I7I6I5I411。微程序中的各条微指令在控存中连续存放。控存0号单元存放取指微指令。系统加电启动后，µPC自动清0；每次按“停机”按钮后，µPC也将清0。每段微程序都以取指微指令结束，以便取出下条指令。微指令格式如下：微程序控制器实验电路如下。其中，控存由3片6264组成；微指令寄存器由3片74374组成；µPC由2片74161组成。控制信号说明：

⑴

RUN是系统的运行状态标志，RUN＝1，运行状态；RUN＝0，停机状态。

⑵

STOP是系统的停机状态标志，STOP＝1，停机状态；STOP＝0，运行状态。

⑶

MLD是µPC的工作方式控制信号，MLD＝0，µPC为置数方式；MLD＝1，µPC为计数方式。

⑷

MCK是µPC的工作脉冲，上升沿完成µPC的置数或计数。

⑸

CR和CW是键盘监控方式下的控存读/写控制信号，低电平有效；由键盘监控实施控制。

⑹

M/C是键盘监控对内存或控存的选择信号，为0选择内存，为1选择控存；由键盘监控实施控制。

⑺

MOCK是微指令寄存器的打入脉冲，上升沿有效。将微程序输入控存是在停机状态（STOP＝1，RUN＝0）下，通过键盘监控来完成的：

⑴在停机状态下，按下键盘上的任意键进入键盘监控，LCD显示器上显示出操作主菜单。

⑵按“1”选择微代码操作（Mcode），LCD显示：

ADDRMICROCODE00xxxx

xx

通过按“TAB”键移动光标到微地址或微代码部分，进行微地址或微代码的修改。修改完毕，按“Next”键或“Enter”键保存该微地址单元的内容，并使微地址加1。如此，可连续向多个微地址单元输入微指令代码。用微程序控制的方法，实现算术运算“A加B”，并输出运算结果：

⑴

将运算器的输入端与二进制开关相连，输出端与数据总线相连。将微控制器微命令输出端中与运算器控制相关的控制信号与运算器相应的控制信号输入端相连。

⑵将MOCK接PLS1，MCK、D1CK及D2CK均接PLS4.

⑶

将操作过程分为3个步骤：①将A送入DR1；②将B送入DR2；③执行算术运算“A加B”，并将运算结果输出到数据总线。

⑷将上述3个步骤的操作编写成以下3条微指令，依次写入到控存的00，01和02单元，完成后按MENU键。

⑸

按运行按钮，使系统进入运行状态；此时µPC为0。

⑹

拨二进制开关形成数据A；按键盘上的STEP键，然后再按ENTER键，时序单元自动顺序产生PLS1~PLS4（一个微指令周期），完成第一条微指令的读取和执行，将数据A打入DR1，并使µPC加1，形成下条微指令的微地址。

⑺

拨二进制开关形成数据B；按键盘上的STEP键，然后再按ENTER键，将数据B打入DR2，并使µPC加1，形成下条微指令的微地址。

⑻

将微地址二进制开关拨为全0；按键盘上的STEP键，然后再按ENTER键，完成运算并显示运算结果，同时将二进制开关上的微地址0打入µPC；重复步骤⑹~⑻，可以继续进行下一次运算。实验报告内容：

1.实验设备及附件

2.实验任务将存储器与运算器连接，用微程序控制方法实现：将运算数据存入存储器，然后由存储器向运算器送数，运算器运算结束后再将运算结果存入存储器。具体运算数据及运算功能自定。

3.实验原理包括：实验电路图；实验原理简述；微指令格式；微指令周期各时钟周期的操作安排。

4.微程序设计及实验操作过程

5.实验总结（二）指令部件实验原理与实验方法本系统的指令字长为1~2字节。第一个字节包含操作码（I7~I4）和通用寄存器号（I1~I0），第二个字节（如果有的话）包含访存地址、立即数或转移目标指令地址。指令寄存器由IR1和IR2组成（采用74374）。IR1用来存放指令的第一个字节，IR2用来存放指令的访存地址或转移目标指令地址。程序计数器PC是一个8位计数器，由2片74161组成。指令部件实验电路图如下。控制信号说明：

⑴

EIR1和EIR2是指令寄存器IR1和IR2的输入允许信号，低电平有效。

⑵

IR1CK和IR2CK是IR1和IR2的打入脉冲，上升沿有效。

⑶

IR2-O是IR2向地址总线的输出控制信号，低电平有效。

⑷

PC-O为低电平时，双4选1选择器74153的ZB端输出为高电平，允许PC计数；PC-O为高电平时，禁止计数。同时，PC-O也是PC向地址总线输出的控制信号，低电平有效。

⑸

ELP为低电平时，由JS1和JS0选择74153A组的4个输入（A0~A3）之一从ZA端输出。如果ZA端输出为低电平，则使PC处于置数工作方式，可接收IR2传来的转移目标地址。ELP为高电平时，使PC处于计数工作方式。

JS1和JS0用于对74153某组输入（A0~A3或B0~B3）实施4选1输出。当ELP为低电平时，可从JZ、JC或JN中选择其中之一从ZA端输出。JZ、JC或JN为条件转移指令的转移测试条件，其中，JZ＝0表示ALU的运算结果为零；JC＝0表示ALU产生了最高进位；JN未具体定义，可由操作者自行定义。

⑹

PCCK是PC的工作脉冲，用于实现对PC置数或加1，上升沿有效。对PC的置数操作有两种方式：

⑴在运行状态下，从IR2接收。这种操作发生在转移指令中，从存储器读入的转移目标地址装入IR2，再由IR2输出到PC。

⑵在停机状态下，通过键盘监控对PC内容进行修改。这种方式在模型机执行程序时，用来设置程序的入口地址。对IR1和IR2的操作：

⑴

IR1中存放从存储器中取出的单字节指令或双字节指令的第一个字节。取指时，指令地址由PC提供。

⑵

IR2中存放从存储器中取出的双字节指令的第二个字节（除立即数外），地址亦由PC提供（PC在取出指令的第一个字节后加1，即指